Hoe ruikt een amoebe de richting van voedsel? Niet door harder te werken, maar door beter te tellen

Een amoebe heeft geen neus, geen ogen en geen brein. Toch weet het piepkleine beestje Dictyostelium feilloos uit welke richting een voedselsignaal komt. Het vangt daarvoor losse moleculen op uit zijn omgeving, alsof het in het donker tast naar regendruppels om te voelen uit welke richting de regen komt. Nieuw onderzoek laat zien dat deze amoebe daarbij verrassend zuinig is, en dat onthult iets fundamenteels over de grenzen van waarnemen.

Cellen die een chemische stof ruiken, doen dat door moleculen uit hun omgeving op te vangen (op te nemen) aan hun oppervlak. Dat kost energie: elke keer dat een cel zo'n molecuul binnenhaalt, verbruikt ze een beetje energie en ontstaat er wat onderzoekers "entropie" noemen, een soort onvermijdelijke energieverspilling die optreedt bij elk proces dat niet in evenwicht is. De vraag die onderzoekers zich stelden: hoeveel moleculen moet een cel eigenlijk opvangen, en hoeveel energie kost dat, om zo goed mogelijk te kunnen ruiken waar iets vandaan komt?

Richting ruiken is moeilijker dan concentratie meten

Een cel die alleen wil weten hóéveel van een stof er in de buurt is, hoeft maar te tellen: meer moleculen opgevangen betekent een hogere concentratie. Maar een cel die de richting van een bron wil vinden, moet iets lastigers doen. Ze moet een klein verschil opmerken tussen de ene kant van haar lichaam en de andere kant: komen er aan de linkerkant net iets meer moleculen binnen dan rechts? Dat verschil in verdeling noemen onderzoekers de "dipool-asymmetrie", vergelijkbaar met het verschil voelen tussen twee vingers die net iets andere temperatuur hebben.

De onderzoekers maakten wiskundige formules die precies berekenen hoeveel moleculen een cel moet opvangen om die richting betrouwbaar te bepalen, en hoeveel energie daarbij verloren gaat. Daarna pasten ze deze formules toe op bestaande meetgegevens van Dictyostelium.

Slechts 0,25 procent van de limiet

De uitkomst is opvallend. Bij een sterk signaal kan een cel al bijna optimaal de richting bepalen terwijl ze maar een klein deel van alle moleculen opvangt die ze in theorie zou kunnen binnenhalen (de zogeheten diffusielimiet, het maximum dat fysiek mogelijk is). Voor Dictyostelium blijkt dit neer te komen op slechts 0,25 procent van die maximale opnamecapaciteit. De energiekosten daarvan zijn minimaal.

Dat betekent dat de amoebe niet wordt tegengehouden door een energietekort. Ze zou in principe veel meer moleculen kunnen opvangen zonder in de problemen te komen. De echte beperking zit ergens anders: in ruis bij het tellen van moleculen zelf. Omdat moleculen willekeurig en schaars arriveren, blijft er altijd statistische onzekerheid over hoeveel er precies aan elke kant binnenkwamen, ongeacht hoeveel energie de cel erin steekt.

Het mooie van deze bevinding is dat ze een oude aanname nuanceert. Je zou denken dat een cel die extreem gevoelig wil zijn, daarvoor flink moet investeren in energie. Dat blijkt niet zo te zijn. De grens van hoe goed een cel kan ruiken, wordt niet bepaald door hoeveel brandstof ze heeft, maar door de wiskundige onzekerheid die nu eenmaal ontstaat als je iets telt dat willekeurig binnendruppelt. Dat is een grens die geen enkele hoeveelheid energie kan wegpoetsen.

Bron: Energetic costs of reaching the physical limits of sensing